光纤F－P声发射传感器在水力除焦监测系统中的应用研究

陈春，钟东

(湖北科技学院，湖北咸宁437100)

水力除焦监测系统在延迟焦化系统装置中起着相当重要的作用。水力除焦系统的基本原理是由高压水泵输送的高压水，经上水线，水龙带，钻杆到水力切焦器喷嘴，由切焦器喷嘴喷出的高压水，形成高压射流，利用高压射流强大的冲击力，将石油焦切割下来。钻杆不断地升降和转动，直到把焦除完为止。当前我国许多石化公司还是凭借工人师傅的相关工作经验来判断焦炭塔内的焦炭是否被清除干净，易受诸多因素的影响，工人师傅有时不能及时准确的判断除焦的状态，因此提高水力除焦监测系统的自动化水平势在必行。

光纤传感技术作为一种研究光纤与外界环境变化的关系的一门新技术，是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光纤传感是以光波为信息载体，光纤为传输介质，感知和传输外界被测量的新型传感技术。由于光纤不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(如温度、压力、磁场等)的作用而发生变化，利用并分析这些变化就可以得外界作用的某些性质，从而可以将光纤用作传感器元件来探测各种物理量、化学量和生物量，这就是光纤传感器的基本原理。通过中石化武汉分公司的现场实验研究表明将声发射传感器应用到水力除焦监测系统中，可以极大的提高水力除焦的自动化监测能力，实时有效的进行系统的监测。

一、声发射传感器及其在水力除焦监测系统中的应用

1．声发射传感器的基本原理

声发射传感器的基本原理是当外界条件改变引起FP传感器腔长变化，导致F－P腔反射或透射干涉光束的光程差改变，通过光电探测器所探测到的干涉光的透射或反射信号的变化便可得知外界的变化情况，如图1所示:

图1声发射传感器的原理图

2．声发射传感系统在水力除焦监测系统中的应用

声发射是由局域能量快速释放而发射的瞬态弹性波的现象，常伴随材料的变形、断裂、流体泄露、磨擦、撞击、放电等现象发生。声发射传感系统检测:通过探测、记录、分析缺陷或者故障本身的声发射信号，实现水力除焦过程的实时监测，并通过合理布置传感器实现水力除焦的状态。为了检测水力除焦过程中的声发射信号，我们采用如下检测系统，设计制备了相应光源驱动电路，光电转换电路，配以相应的数据采集卡对数据进行采集，搭建了如下图所示的测量系统，并以此系统测试了钢板的声发射信号，结果表明，该系统可检测到相应的声发射信号，如下图2所示，给出了声发射传感系统的监测原理框图。在武汉石化的实验中，如图3所示，进行水力除焦整个系统监测方案:主要是通过在焦炭塔外壁高度方向上安装的3－4个声发射传感器，获取水力除焦过程中的声音信号并送入示波器进行分析，同时通过数据采集装置进行相关数据的采集，通过采集的数据和信号，就可以判断出水力除焦进行的阶段和状态。图4是现场采集到的信号。

图2声发射传感监测系统原理图

图3武汉石化焦炭塔实验安装的声发射传感器图

图4现场采集的信号频谱图

二、水力除焦监测系统采集的数据分析

通过生发射传感系统对水力除焦过程中采集的数据进行处理和分析，由于在水力除焦过程中，钻头工作过程一般分为下降，上升，再下降几个阶段，循环往复直到焦炭除尽，因此为了便于分析可以将采集到的数据按照钻头进焦前后进行分析，然后编写程序在MATLAB中对数据FFT处理，然后对比分析钻头进焦前后的图形，如图5所示。

图5钻头进焦前声信号的频谱分析图

从图5来看，钻头在进焦前后声信号的频率变化很大，进焦前的频率很高，超过了1000Hz，而进焦后频率最大值只有258Hz。说明随着除焦过程中，声传感器可以探测除焦的行程，除焦的状态，可有效的指导生产，实现自动化除焦。

三、小结

本文采用的将声发射传感器应用到水力除焦监测系统中，能较好的实现除焦状态的实时控制，可以有效的实现水力除焦状态监测的自动化。

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